姜志海制图■本报记者文通讯员杨芳
据多家媒体报道，日前，一辆城际大巴行驶在104国道南京段，突然车辆起火，造成2死5伤。经调查，公交车起火是因为一名乘客将锂电池放在背包里。司机没有发现锂电池自燃。
锂电池引发的火灾已经被多次报道，安全隐患就在我们身边。锂电池自燃的风险是如何产生的？有没有大幅降低自燃风险的改进方案？
锂电池为什么容易自燃？
“当锂电池内部温度达到70℃左右时，负极的固体电解质膜开始分解，发生自放热反应。随着温度的进一步升高，多个副反应相互作用，因此电池膨胀，直至热量失控。”南京工业大学材料科学与工程学院教授杨辉向《中国科学报》介绍了锂电池的发热原理。
自发放热反应引起的锂电池热失控已成为制约锂电池进一步发展和应用的瓶颈。2022年9月29日，成都某小区新能源汽车充电时发生爆炸，造成两人受伤。2023年6月6日，杭州一辆新能源汽车与收费站设施相撞后迅速起火，造成4人死亡。
而目前正在研发的高安全性、高能量密度的半固态和全固态锂电池，由于生产环境恶劣、生产工艺复杂、成品率低、价格高，无法量产。
“目前商用的高能量密度的高镍三元锂电池，在猛烈的喷烧下失控，最高温度达到1200℃，有毒有害气体释放。”杨辉告诉《中国科学报》。
该电池由多个电池组成。当单个电池失控时，热量会传递到周围的电池，导致热失控蔓延。“当然，如果电池内的电芯均匀性差，存在压差，部分电芯会过充过放，本质安全性差。”杨辉说。
他补充说，如果旧电池内部接线老化、松动，然后在运输过程中发生磕碰，也会导致线路短路、电池异常放热、热失控。这辆城际大巴的事故发生在中午，气温很高。电池可能暴露在阳光下，导致局部过热。由于电池散热性能差，内部热量积累造成热失控。
防止锂电池爆炸的四种方法
为了控制锂电池爆炸带来的风险，按照规定，额定能量超过160Wh的充电宝不能带上飞机。乘坐高铁出行携带充电宝应满足标志清晰可见、单块额定能量不超过100Wh的要求。客运班车上乘客携带的充电宝和锂电池数量不超过5个，每件额定容量不超过20000mAh。
“除了及时发现和挑出鼓包等异常电池，最重要的是防止热失控。”南京工业大学材料科学与工程学院博士生金汤说，国家标准《电动汽车用动力电池安全要求》中已经明确规定，电池组中要安装电池监测预警系统。
'使用电池管理系统监控电池的电压、电流和温度。一旦发现电池出现异常，应立即断开电池与系统的连接，并发出警报。”金汤说。
据金汤介绍，防止锂电池爆炸的方法主要有四种:电池冷却系统、水雾热失控保护、泄爆系统和电池隔热系统。
电池冷却系统通过风冷、液冷、直冷等热管理来调节电池组的温度，避免电池过热，或者在电池失控时快速冷却系统，延缓热控制的蔓延。
细水雾热失控保护是在电池组内安装灭火装置，在电池着火时喷洒七氟丙烷和全氟己酮灭火剂，抑制锂离子电池热失控初期的火势蔓延。
泄爆抑爆系统是在电池失控热控时主动排出空气，利用惰性气体控制预制舱内可燃气体浓度，降低可燃气体极限氧浓度，防止爆炸。
锂电池一旦热失控，从冒烟到爆炸只需要56秒。如何在热量失控的情况下快速阻断一块电池的热量传递？南京工业大学材料学院博士生武新元表示，在电池/模块之间使用电池绝缘片，可以抑制热量向周围电池的传递，延缓热量失控扩散，即使“城门失火”，也能努力防止“池鱼之殃”。"电池绝缘系统可以有效地阻止热失控，因此在市场上更受欢迎."
气凝胶毡成为隔热保温的“明星”
与其他隔热材料相比，气凝胶毡以其更低的导热系数和更好的耐高温性能脱颖而出，成为主流电池隔热片的“新宠”。此外，南京工业大学材料科学与工程学院教授沈晓东告诉中国科学报记者，复合相变材料可以吸收电池热失控散发的热量，对延缓热失控蔓延也有显著作用。
《金汤》由杨辉和沈晓东联合执导。他的博士项目是关于利用气凝胶提高锂电池系统的安全性。
他表示，高能量密度的高镍三元锂电池在高端电动汽车上的应用逐渐增多。而高镍三元的安全性较差，在热量失控的情况下，其最高温度可超过1000℃。气凝胶是阻隔电池热扩散的隔热材料之一，但普通硅基气凝胶只能阻隔600℃左右的温度，不适用于高镍三元锂电池。
沈晓东团队研发并量产的耐高温1200℃的二氧化硅气凝胶材料已成功应用于锂离子动力电池电芯之间的隔热。“这种材料为核心群构筑了一个高性能的‘防火墙’，阻挡了热失控过程中的热量扩散，相当于给锂电池穿上了安全的‘隔热服’，给人的生命安全穿上了‘防护服’。”沈晓东说。
“气凝胶纳米级网状骨骼结构中99%以上的空隙都充满了空气。”沈晓东说，空气是热的不良导体，气凝胶中的空气被网格夹住，无法流动，因此热导率低于空气，成为隔热的“明星”。
今年5月，沈晓东团队研发的新型耐1200℃气凝胶毡产品问世，并在江苏佳运新材料有限公司完成a轮融资，实现了高性能二氧化硅气凝胶的量产。
金汤说，如果这次事故的电池使用气凝胶毡绝缘材料，单个电池失控时释放的有限能量将被阻挡，热量不会迅速扩散到相邻电池引起爆燃，有望给乘客充分的逃生时间。火灾甚至可能在初期就被扑灭，不会造成电动公交车自燃，不会造成严重的人身安全和财产事故。他们特别期待自己研发的新技术能尽快在生活中起到强大的保护作用。
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